CN107402134B - 基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统 - Google Patents

Abstract

提供一种基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其包括：反光特征，其用于设置于旋转机械的旋转构件；光纤‑孔探孔耦合调焦系统，其包括孔探孔配装结构件(500)、光纤‑孔探孔耦合机构(600)和物镜(800)，物镜安装在孔探孔配装结构件内或安装于光纤‑孔探孔耦合机构，孔探孔配装结构件能够配装于孔探孔内，光纤‑孔探孔耦合机构将光纤耦合到物镜；传输光纤组件(400)；光纤激光器(310)；以及光纤信号处理系统(320)。光纤激光器输出的激光经传输光纤组件入射到物镜，经物镜聚焦到反光特征上，反光特征反射的反射激光经传输光纤组件收集到光纤信号处理系统，光纤信号处理系统通过处理反射激光而获得旋转构件的转动信息。

Description

基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统

技术领域

本发明涉及旋转机械检测领域，更为具体地，涉及旋转机械转速信号的同步检测系统。

背景技术

旋转机械，尤其是燃气涡轮发动机长时间工作在高转速、高速气流冲击的恶劣环境条件下，叶片等旋转部件在长期的交变载荷、高温氧化以及高速气流冲击等多种作用下，易产生高应力而导致疲劳损伤。

近年来，发展出了基于叶尖定时原理的非接触式燃气涡轮发动机叶片测振方法，这种检测方法需要外部提供一个同步的基准转轴信号。目前的同步基准转轴信号检测方法大多是需要在发动机机匣打孔或内部改装，改装工作复杂，改装部件在发动机流道内也存在脱落风险，容易打坏发动机，检测风险高。

因而，需要发展一种可以简便、可靠地用于同步基准转轴信号检测的方法。另外燃气涡轮发动机的在线平衡等其他工作场合也需要有简便、可靠的同步转速信号检测。

由于旋转机械的旋转部件易于发生故障，一般在燃气涡轮发动机等旋转机械机匣上会设置用于停机维护时使用的维护检查孔(即孔探孔)，发动机工作过程中用孔探孔堵头封堵上。为了减少维护时间，孔探孔堵头与孔探孔之间为自锁连接，可快速拆装。

发明内容

针对燃气涡轮发动机等旋转机械叶片叶尖定时测振以及其他对旋转机械转速同步信号检测的需要，本发明利用旋转机械的孔探孔，提出一种适用于旋转机械孔探孔的转速信号同步检测系统，耦合了孔探孔结构与激光输入、光学调焦、光学信号接收，用于实时探测旋转机械的同步转速信号，为旋转机械叶片叶尖定时测振等提供简便、可靠的同步转速信号。

提供一种基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其包括：

反光特征，其用于设置于所述旋转机械的旋转构件；

光纤-孔探孔耦合调焦系统，其包括孔探孔配装结构件、光纤-孔探孔耦合机构和物镜，所述物镜安装在所述孔探孔配装结构件内或安装于所述光纤-孔探孔耦合机构，所述孔探孔配装结构件能够配装于所述孔探孔内，所述光纤-孔探孔耦合机构将光纤耦合到所述物镜；

传输光纤组件；

光纤激光器；以及

光纤信号处理系统，

所述光纤激光器输出的激光经所述传输光纤组件入射到所述物镜，经所述物镜聚焦到所述反光特征上，所述反光特征反射所述激光而形成的反射激光经所述传输光纤组件收集到所述光纤信号处理系统，所述光纤信号处理系统通过处理所述反射激光而获得所述旋转构件的转动信息。

在至少一个实施方式中，所述反光特征为反光标志物，所述反光标志物设置于作为所述旋转构件的旋转轴使得：所述旋转轴每转一周所述反光标志物将反射一次入射激光，从而引起进入所述光纤信号处理系统的光强度变化。

在至少一个实施方式中，所述反光特征为安装于所述旋转构件的转子叶片，所述转子叶片与所述旋转构件的反光度不同，通过所述转子叶片和所述旋转构件在所述旋转构件的旋转中反射入射激光而引起进入所述光纤信号处理系统的光强度变化。

在至少一个实施方式中，所述物镜设置在所述孔探孔配装结构件的靠近所述旋转轴的位置，用于将入射激光聚焦到所述反光标志物上，并收集所述反光标志物反射回的反射激光。

在至少一个实施方式中，所述光纤信号处理系统被构造成：将所述反射激光处理转化成电脉冲信号，通过处理所述电脉冲信号的时间间隔获得所述旋转轴的转速和/或通过分析所述电脉冲信号的强弱变化获得所述旋转轴的径向位移。

在至少一个实施方式中，所述传输光纤组件包括与所述光纤激光器连接的入射光纤、与所述光纤信号处理系统连接的反射光纤、以及光纤合束器，

所述入射光纤的一部分和所述反射光纤的一部分经所述光纤合束器合束形成合束光纤，所述合束光纤通过所述光纤-孔探孔耦合机构耦合到所述物镜。

在至少一个实施方式中，所述反射光纤采用多路光纤汇聚而成。

在至少一个实施方式中，所述光纤-孔探孔耦合调焦系统还包括合束光纤锁紧-调整装置，所述合束光纤锁紧-调整装置用于调整所述合束光纤与所述物镜的距离和/或所述合束光纤的延伸方向，并将所述合束光纤紧固在所述光纤-孔探孔耦合机构内。

在至少一个实施方式中，所述合束光纤锁紧-调整装置被设置成使得：穿过所述物镜入射的激光的中心轴与所述反光标志物的切线成近似正交。

在至少一个实施方式中，所述合束光纤的与所述光纤-孔探孔耦合机构耦合的部分设置有金属管保护套，以对所述合束光纤从外部进行加固。

在至少一个实施方式中，所述孔探孔配装结构件为外形与所述孔探孔匹配的金属部件，利用所述孔探孔的自锁机构实现所述孔探孔配装结构件的自锁和快速拆装。

在至少一个实施方式中，所述孔探孔中的、经过所述传输光纤组件和所述物镜的光路的中心轴与所述孔探孔的中心轴线成大于0度且小于90度的夹角。

在至少一个实施方式中，所述旋转机械为燃气涡轮发动机。

在至少一个实施方式中，所述光纤-孔探孔耦合机构安装在所述孔探孔配装结构件内并与所述孔探孔配装结构件形成防松脱锁定。

在至少一个实施方式中，所述光纤-孔探孔耦合机构通过精密螺纹安装到所述孔探孔配装结构件的螺纹孔内，在所述物镜或所述物镜的保持构件与所述光纤-孔探孔耦合机构之间设置有弹性垫圈。

利用该同步检测系统，可有效地将检测激光正确地聚焦在被测旋转机械的旋转构件上，并可靠地将反射激光收集到检测光路和处理系统，该同步检测系统可为旋转机械转速的同步信号采集提供简便、可靠的信号获取途径。

相比其他在诸如发动机的旋转机械的内部及外部的改装检测，本发明的同步检测系统不需要对诸如发动机的旋转机械进行破坏性改装，也提高了同步检测系统的工作可靠性和安全性。以此同步检测系统检测旋转机械转速同步信号，实施简便，工作可靠，信号精度高。该同步检测系统可广泛用于各型带孔探孔的旋转机械的转速同步信号检测。

附图说明

图1是根据本发明的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统的原理示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的用于作为旋转机械的示例的燃气涡轮发动机的光纤-孔探孔耦合调焦系统的示意图。

附图标记说明

100旋转轴(旋转构件)，110转子叶片，120静子叶片，200反光标志物(反光特征)，310光纤激光器，320光纤信号处理系统，400传输光纤组件，410入射光纤，420反射光纤，430光纤合束器，440合束光纤，441合束光纤的金属保护头部(金属管保护套)，500孔探孔配装结构件，510光路孔，600光纤-孔探孔耦合机构，710第一锁紧-调整装置，720第二锁紧-调整装置，800物镜，X中心轴，900弹性垫圈。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构和工作原理作进一步说明。

本发明提供一种基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统。

如图1和图2所示，在要测量转速的旋转轴100上选取易于设置且穿过孔探孔的光线可达位置上设置反光漆或反光条等反光标志物200；将光纤激光器310与传输光纤组件400的入射光纤410相连接，将光纤信号处理系统320与传输光纤组件400的反射光纤420(在一个示例中，反射光纤420由多路光纤汇聚而成)相连接；拆卸下旋转机械孔探孔堵头，将按照孔探孔结构设计的孔探孔配装结构件500配装在孔探孔内，将光纤-孔探孔耦合机构600安装在孔探孔配装结构件500内，可以在光纤-孔探孔耦合机构600和物镜800或物镜800的保持构件之间设置弹性垫圈900，可以在光纤-孔探孔耦合机构600安装拧紧后起到防松脱作用；将传输光纤组件400中的合束光纤440(入射光纤410的一部分和反射光纤420的一部分经光纤合束器430合束形成合束光纤440，因此合束光纤440内置有入射光纤和反射光纤)的金属保护头部441伸入光纤-孔探孔耦合机构600内；利用第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720调整合束光纤440的金属保护头部441与物镜800(例如，长焦物镜)之间的距离和金属保护头部441的延伸方向以获得最大的反射激光强度，使入射的激光经过物镜800聚焦后照射在旋转轴100上设置的反光标志物200上，并观察光纤信号处理系统320指示的反射激光产生的电信号，使电信号值尽可能大，调整完成后利用第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720固定合束光纤440的位置。其中，图1中的三角形示意性地示出了入光和反射光线。

如图1所示，光纤激光器310输出的激光，经过入射光纤410、光纤合束器430、合束光纤440到达物镜800后聚焦到旋转轴100的反光标志物200上。通过调整好的聚焦系统，部分入射激光将经过反光标志物200反射后原路返回，经过同一聚焦系统返回合束光纤440，经光纤合束器430、反射光纤420进入光纤信号处理系统320。

当旋转机械转动时，旋转轴100每转一周反光标志物200将反射一次入射激光，从而引起光纤信号处理系统320接收的光信号变化，通过光纤信号处理系统320将该光信号处理转换为电脉冲信号，通过处理电脉冲信号的时间间隔即可获得旋转轴100的转速，通过分析该电脉冲信号的强弱变化还可反应旋转轴100的径向位移等转动特性。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于燃气涡轮发动机的光纤-孔探孔耦合调焦系统的示意图。为适配孔探孔结构，孔探孔配装结构件500的外形按照孔探孔内部结构配装尺寸设计，孔探孔配装结构件500与孔探孔配装后的状态可以和孔探孔堵头与孔探孔配装的状态一致，可以做到不影响旋转机械工作并可长期工作在旋转机械的振动环境下。

孔探孔配装结构件500的左端前部内开设有光路孔510并配装物镜800。在图示的非限制性的示例中，孔探孔配装结构件500内的通孔包括用于形成光路的直径较小的光路孔510和用于安装光纤-孔探孔耦合机构600的直径较大的安装孔。在光路孔510和该安装孔之间形成台阶，物镜800或者物镜800的保持构件安装在该台阶处，这样，便于物镜800的定位。

孔探孔配装结构件500内的位于物镜800右侧的部分设有精密螺纹孔，光纤-孔探孔耦合机构600通过精密螺纹与孔探孔配装结构件500连接在一起。光纤-孔探孔耦合机构600的内部为直径大于合束光纤440的金属保护头部441的直径的通孔，合束光纤440的金属保护头部441配装在该通孔内。通孔直径与合束光纤440的金属保护头部441的直径差值决定了合束光纤440的径向可调范围，调整合束光纤440插入光纤-孔探孔耦合机构600的通孔的深度可以调整合束光纤440与物镜800的距离；调整第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720可以调整合束光纤440的延伸方向/径向位置。合束光纤440在光纤-孔探孔耦合机构600内位置调整确定后，孔探孔配装结构件500、物镜800、光纤-孔探孔耦合机构600、合束光纤440共同构成的光路的中心轴X最终确定，中心轴X与孔探孔的中心轴线成一定夹角(大于0度且小于90度)，与旋转轴100上设置的反光标志物200的切线近似正交。使反射激光最大限度地反射回合束光纤440，并减少旋转机械的振动的影响。

如图2所示，光路的中心轴X还与孔探孔配装结构件500的中心轴线成一定夹角。其原因是，在一些现有的孔探孔中，孔探孔的中心轴线并不指向旋转轴100。通过使光路的中心轴X与孔探孔的中心轴线成一定夹角，可以使入射激光近似垂直地照射到旋转轴100上，即中心轴X与反光标志物200大致垂直。这样，可以确保反射激光能够可靠地进入合束光纤440。

第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720可以是两个自锁螺钉，通过光纤-孔探孔耦合机构600右端相对开设的两个螺纹孔与光纤-孔探孔耦合机构600连接。第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720分设在光纤-孔探孔耦合机构600的两面，第一锁紧-调整装置710和第二锁紧-调整装置720在光纤-孔探孔耦合机构600内拧入一定深度后可以从两边将合束光纤440的金属保护头部441夹紧，从而固定住合束光纤440。

应当理解，物镜800的焦距由物镜800距旋转轴100的距离而定。物镜800可以是一个透镜，也可以是多个透镜的组合。物镜800可以粘接到光路孔510和安装孔之间的台阶处和/或过盈配合到安装孔的内周面。

应当理解，本发明不限于使用反光标志物200来实现激光反射。作为反光特征，可以使用旋转构件上的其它结构。例如，在诸如旋转轴等的旋转构件具有高反光度的情况下，可以在旋转构件上设置低反光度的反光结构(反光特征)。

例如，在图1所示的结构中，在旋转轴100上设置有转子叶片110，在轴向上相邻的转子叶片110之间设置有静子叶片120。在例如旋转轴100光洁等旋转轴100与转子叶片110的反光度不一致的情况下，安装于旋转轴100的转子叶片110可以作为反光特征。通过转子叶片110和旋转轴100在旋转轴100的旋转中反射入射激光而引起进入光纤信号处理系统320的光强度变化。在同一轴向位置有多个转子叶片110的情况下，旋转轴100每转一周，光强度变化的次数与转子叶片110的数量对应。

因此，本申请中的(用于)设置于旋转机械的旋转构件的反光特征，既可以是另外附加到诸如旋转轴的旋转构件的与其它位置反光度不同的结构或特征，也可以是旋转构件自身上的与其它位置反光度不同的结构或特征。

然而，发明人发现，通常来讲，使用反光标志物可以获得容易处理的反射激光强度信号。并且，使用反光标志物具有普适性。

设计的光学调焦系统可以对入射激光有效的聚合，提高检测精度，对返回的散射光进行有效的集合，并与多路接收光纤结合，提高系统对散射的反射激光的接收能力。

光纤-孔探孔耦合机构600安装在孔探孔配装结构件500内并与孔探孔配装结构件500形成防松脱锁定，提高了光纤-孔探孔耦合机构600在旋转机械的振动环境下的工作能力。

以燃气涡轮发动机为例，本发明的有益效果包括，与孔探孔堵头类似地，孔探孔配装结构件500可以在燃气涡轮发动机上快速拆卸，因而，本发明的系统可以与孔探孔堵头一样简便使用，并可可靠地工作在旋转机械振动工作环境下。

本发明不需要对发动机进行破坏性改装检测，实施简便可靠，大大降低了检测风险，而且由于采用光学信号检测，系统抗电磁干扰能力强，检测精度高，可广泛用于各型带孔探孔的旋转机械转速同步信号检测。

Claims (15)

1.一种基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其包括：

反光特征，其用于设置于所述旋转机械的旋转构件；

光纤-孔探孔耦合调焦系统，其包括孔探孔配装结构件(500)、光纤-孔探孔耦合机构(600)和物镜(800)，所述物镜(800)安装在所述孔探孔配装结构件(500)内或安装于所述光纤-孔探孔耦合机构(600)，所述孔探孔配装结构件(500)能够配装于所述孔探孔内，所述光纤-孔探孔耦合机构(600)将光纤耦合到所述物镜(800)；

传输光纤组件(400)；

光纤激光器(310)；以及

光纤信号处理系统(320)，

所述光纤激光器(310)输出的激光经所述传输光纤组件(400)入射到所述物镜(800)，经所述物镜(800)聚焦到所述反光特征上，所述反光特征反射所述激光而形成的反射激光经所述传输光纤组件(400)收集到所述光纤信号处理系统(320)，所述光纤信号处理系统(320)通过处理所述反射激光而基于所述反射激光的光强度变化获得所述旋转构件的转动信息。

2.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述反光特征为反光标志物(200)，所述反光标志物(200)设置于作为所述旋转构件的旋转轴使得：所述旋转轴每转一周所述反光标志物(200)将反射一次入射激光，从而引起进入所述光纤信号处理系统(320)的光强度变化。

3.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述反光特征为安装于所述旋转构件的转子叶片(110)，所述转子叶片(110)与所述旋转构件的反光度不同，通过所述转子叶片(110)和所述旋转构件在所述旋转构件的旋转中反射入射激光而引起进入所述光纤信号处理系统(320)的光强度变化。

4.根据权利要求2所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述物镜(800)设置在所述孔探孔配装结构件(500)的靠近所述旋转轴的位置，用于将入射激光聚焦到所述反光标志物(200)上，并收集所述反光标志物(200)反射回的反射激光。

5.根据权利要求2所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述光纤信号处理系统(320)被构造成：将所述反射激光处理转化成电脉冲信号，通过处理所述电脉冲信号的时间间隔获得所述旋转轴的转速和/或通过分析所述电脉冲信号的强弱变化获得所述旋转轴的径向位移。

6.根据权利要求2所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述传输光纤组件(400)包括与所述光纤激光器(310)连接的入射光纤(410)、与所述光纤信号处理系统(320)连接的反射光纤(420)、以及光纤合束器(430)，

所述入射光纤(410)的一部分和所述反射光纤(420)的一部分经所述光纤合束器(430)合束形成合束光纤(440)，所述合束光纤(440)通过所述光纤-孔探孔耦合机构(600)耦合到所述物镜(800)。

7.根据权利要求6所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述反射光纤采用多路光纤汇聚而成。

8.根据权利要求6所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述光纤-孔探孔耦合调焦系统还包括合束光纤锁紧-调整装置，所述合束光纤锁紧-调整装置用于调整所述合束光纤(440)与所述物镜(800)的距离和/或所述合束光纤(440)的延伸方向，并将所述合束光纤(440)紧固在所述光纤-孔探孔耦合机构(600)内。

9.根据权利要求8所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述合束光纤锁紧-调整装置被设置成使得：穿过所述物镜(800)入射的激光的中心轴与所述反光标志物(200)的切线成近似正交。

10.根据权利要求6所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述合束光纤(440)的与所述光纤-孔探孔耦合机构(600)耦合的部分设置有金属管保护套，以对所述合束光纤(440)从外部进行加固。

11.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述孔探孔配装结构件(500)为外形与所述孔探孔匹配的金属部件，利用所述孔探孔的自锁机构实现所述孔探孔配装结构件(500)的自锁和快速拆装。

12.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述孔探孔中的、经过所述传输光纤组件(400)和所述物镜(800)的光路的中心轴与所述孔探孔的中心轴线成大于0度且小于90度的夹角。

13.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述旋转机械为燃气涡轮发动机。

14.根据权利要求1所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述光纤-孔探孔耦合机构(600)安装在所述孔探孔配装结构件(500)内并与所述孔探孔配装结构件(500)形成防松脱锁定。

15.根据权利要求14所述的基于孔探孔的旋转机械转速信号同步检测系统，其特征在于，

所述光纤-孔探孔耦合机构(600)通过精密螺纹安装到所述孔探孔配装结构件(500)的螺纹孔内，在所述物镜(800)或所述物镜(800)的保持构件与所述光纤-孔探孔耦合机构(600)之间设置有弹性垫圈(900)。